KR20220038988A - Lng 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어 - Google Patents

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KR20220038988A
KR20220038988A KR1020200121504A KR20200121504A KR20220038988A KR 20220038988 A KR20220038988 A KR 20220038988A KR 1020200121504 A KR1020200121504 A KR 1020200121504A KR 20200121504 A KR20200121504 A KR 20200121504A KR 20220038988 A KR20220038988 A KR 20220038988A
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임희대
최창현
정재헌
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Abstract

본 발명은 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 와이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ni, Mn, Mo, 및 Cr의 함량 조정으로 우수한 인장강도와 충격값을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 와이어에 관한 것이다.
본 발명의 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 와이어는 Ni, Mn, Mo, Cr의 함량 관계를 조절하여 9% 니켈강, 고망간강, 스테인레스 계열 강재의 용접에 모두 적용가능하고, 용접부 극저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어 {Stainless steel wire for welding LNG tank}
본 발명은 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ni, Mn, Cr, 및 Mo의 함량 조정으로 우수한 강도와 극저온 충격 인성을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어에 관한 것이다.
액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas, 비등점: -164℃), 액체산소(Liquefied Oxygen, 비등점: -183℃), 액체질소(Liquefied Nitrogen, 비등점: -196℃) 등과 같은 액화가스는 극저온 저장을 필요로 한다. 그러므로 이들 가스를 저장하기 위해서는 극저온에서 충분한 인성과 강도를 가지는 재료로 이루어지는 압력용기 등의 구조물이 필요하다.
액화가스 분위기의 저온에서 사용 가능한 재료로서 종래부터 Cr-Ni계 스테인레스 합금이나 9% Ni강 및 5000계열의 알루미늄 합금 등이 사용되어 왔다. 그러나 알루미늄 합금의 경우 합금 비용이 높고 낮은 강도로 인해 구조물의 설계 두께가 증가하게 되며 용접 시공성도 좋지 않아 사용이 제한적이라는 문제를 가진다. Cr-Ni계 스테인레스와 9% Ni강 등은 알루미늄의 낮은 강도 문제점은 극복하였으나 고가의 니켈 함유로 인해 제조 비용이 상승하는 등 적용에 문제가 되어 왔다.
또한 액화가스에 사용되는 구조용강에 관한 또 다른 기술로는 니켈을 완전히 배제한 소위 니켈-프리(Ni-free) 고망간강을 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 기술들은 열처리 회수의 증가로 인해 비용 증가 및 열처리 설비 부하가 생기는 문제점이 있었다. 이에 대한민국 등록특허 제10-135843호와 같이 주조직을 페라이트가 아닌 오스테나이트로 하여 극저온 인성을 확보하는 기술이 개발되었다.
이와 같은 구조용강을 용접하기 위하여 사용된 종래의 와이어는 용접 후 구조물의 강도 및 충격값을 만족시키기 위하여 구조용강의 물성에 따라 9% Ni강 또는 스테인레스 합금 또는 고망간강에 선택적으로 적용가능하도록 개발되어 왔다. 그러나 구조용강의 소재에 따른 제약이 있을 경우 작업 과정에 혼선이 야기될 수 있고, 경제적인 측면에서도 불리한 문제가 있다. 이에 구조용강 소재의 제약 없이 용접이 가능하고 용접부의 극저온 인성이 우수한 용접재료를 개발할 필요가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1353843호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, LNG 탱크용으로 사용 가능한 물성을 가지는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로,
Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Mo : 5.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다:
[관계식 1]
{Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
또한 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로,
Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며,
Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(Q)을 0.1 ~ 5.0 중량% 포함하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이고,
하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다:
[관계식 2]
{Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
또한 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로,
Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Mo : 4.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다:
[관계식 1]
{Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
또한 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로,
Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며,
Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(Q)을 0.1 ~ 4.0 중량% 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이며,
하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다:
[관계식 2]
{Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
본 발명의 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어는 Ni, Mn, Mo, Cr의 함량 관계를 조절하여 9% 니켈강, 고망간강, 스테인레스 계열 강재의 용접에 모두 적용가능하고, 용접부 극저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서 용접 금속이란, 용접을 실시했을 때에 용접 중에 용착 금속과 용융 모재가 용융되어 응고된 금속을 말한다.
본 명세서에 있어서 용착 금속(deposited metal)이란 용접 중에 부가되는 금속재료인 용가재(와이어)로부터 용접부로 이행된 금속을 말한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 용접 와이어로서, 와이어 전체의 조성이 전체 중량당 Mn, Mo, Cr, Ni을 소정량 함유하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다.
구체적으로는, 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로, Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Mo : 5.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다. [관계식 1]은 {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 이다.
Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%
니켈(Ni)은 오스테나이트 조직을 안정화 시키기 위하여 첨가하는 성분으로, 그 함량이 6.0 중량% 미만인 경우 오스테나이트 조직이 불안정하여 바람직하지 못하고, 15.0 중량%를 초과하는 경우 내고온균열성을 열화하여 바람직하지 못하다. 따라서 Ni의 함량은 6.0 ~ 15.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%
크롬(Cr)은 용접금속의 강도를 향상시킴과 더불어 오스테나이트 조직을 안정화 시키는 성분으로, 그 함량이 13.0 중량% 미만인 경우 충분한 강도가 얻어지지 못하여 바람직하지 못하고, 25.0 중량%를 초과하는 경우 용접금속의 저온 충격인성이 열화하여 바람직하지 못하다. 따라서 Cr의 함량은 13.0 ~ 25.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%
망간(Mn)은 오스테나이트 조직을 안정화 시키며 탈산 작용 및 용접성을 향상시키는 성분으로, 그 함량이 1.0 중량% 미만인 경우 충분한 탈산 효과가 얻어지지 않아 바람직하지 못하고, 10.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속 최종 응고역으로의 응고 편석이 촉진되어 융액의 융점을 저하시켜, 내고온균열성을 열화하여 바람직하지 못하다. 따라서 Mn의 함량은 1.0 ~ 10.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
Mo : 5.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)
몰리브덴(Mo)은 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. Mo 함유량이 적으면 충분한 강도가 얻어지지 않아 바람직하지 못하고, 5.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화됨과 더불어, Mo의 응고 편석이 촉진되어 내고온균열성이 열화되어 바람직하지 못하다. 따라서 Mo의 함량은 5.0 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
Si : 0.05 ~ 1.0 중량%
실리콘(Si)은 탈산 작용 및 용접성을 향상시키는 성분으로, 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 탈산 역할이 미비하고, 1.0 중량%를 초과하게 되면 라베스상 생성에 따라 균열감수성이 증가하여 바람직하지 못하다. 따라서 Si의 함량을 0.05 ~ 1.0 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)
탄소(C)는 용접 금속의 강도를 향상하는 효과가 있지만, 과잉하게 첨가하면 탄화물을 생성하여 인성을 저하시키는 문제점이 있다. 따라서 C의 함량은 와이어 전체 중량당 0.5% 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 용접 금속의 인성 저하를 방지하기 위하여 0.1 중량%이하인 것이 바람직하다.
P+S : 0.1 중량% 이하 (0 중량%인 경우 제외)
P(인) 및 S(황)은 고온균열에 영향을 미치는 주요 원소 중 하나로, 저융점 화합물을 발생시켜 고온균열을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 경우 P+S의 총 함량은 0.1 중량% 미만인 것이 바람직하다.
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물일 수 있다. 또한 구리(Cu)를 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 더 포함할 수 있다. 구리(Cu)는 석출 경화 원소이며 그 함량을 0.5 중량% 이하로 제한함이 바람직하다. 0.5 중량%를 초과하는 경우 경화능이 증가하여 저온 충격인성이 연화되어 바람직하지 못하다. 또한 질소(N)를 0.2 중량% 이하로 더 포함할 수 있다. 질소(N)은 N은 고용 강화 원소이며 그 함량을 0.2 중량% 이하로 제한함이 바람직하다. 0.4 중량%를 초과하는 경우 저온 충격 인성을 열화시키며, 완전 오스테나이트 조직이 발생하여 내고온균열성과 내기공성이 열화되기 때문에 바람직하지 못하다.
본 발명의 용접 와이어는 Mn, Cr 및 Mo의 함량 관계를 조절하여 용접부 물성을 확보할 수 있다. 관계식 1에 의하여 정의되는 값이 1을 초과하도록 조성함이 바람직하다. 1 이하인 경우 강도, 극저온 인성, 즉 충격값 확보가 어려워 용접부 품질이 저하될 수 있다.
또한 본 발명은 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로, Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 0.1 ~ 5.0 중량% 포함하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이고, 하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다. [관계식 2]는 {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 이다.
구체적 조성의 함량범위는 상기 설명한 바와 같다.
Mo, W, 및 Nb는 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과를 가지고, 1종 이상이 선택되어 포함될 수 있다. Mo, W, 및 Nb로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이 0.1 중량% 미만이면 충분한 강도가 얻어지지 않아 바람직하지 못하고, 5.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화됨과 더불어, 내고온균열성이 열화되어 바람직하지 못하다. 따라서 0.1 ~ 5.0 중량%로 제한함이 바람직하다. 상기 관계식 2에서 Q는 Mo, [Mo+W], [Mo+Nb], [Mo+W+Nb], W, Nb, [W+Nb] 중 어느 하나일 수 있다. 상기 관계식 2는 더욱 바람직하게는 1.5 > {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 일 수 있다. 관계식 2에 따른 값이 1.5 이상이거나 1 이하인 경우 강도, 극저온 인성, 즉 충격값 확보가 어려워 용접부 품질이 저하될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어는 W를 2.0 중량% 이하로 더 포함하거나 Mo를 대체하여 포함될 수 있다. 텅스텐(W)은 Mo과 동일하게 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. W 함유량이 2.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화될 수 있다. 따라서 W의 함량은 2.0 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
또한 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어는 Nb을 1.5 중량% 이하로 더 포함하거나 Mo를 대체하여 포함될 수 있다. 니오븀(Nb)은 Mo과 동일하게 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있다. Nb 함유량이 1.5 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화될 수 있다. 따라서 Nb의 함량은 1.5 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로, Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Mo : 4.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다. [관계식 1]은 {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 이다.
용접 와이어의 합금 조성에 따라 얻어지는 용착금속의 물성, 특히 LNG 탱크 제작에 사용하기 위한 물성 확보 여부가 상이하고, 본 발명에 따른 와이어는 강도, 인성, 및 충격값이 우수한 용착 금속을 얻을 수 있다.
니켈(Ni)은 오스테나이트 조직을 안정화 시키기 위하여 첨가하는 성분으로, 그 함량이 8.0 중량% 미만인 경우 오스테나이트 조직이 불안정하여 강도 확보가 어려워 바람직하지 못하고, 14.0 중량%를 초과하는 경우 내고온균열성이 감소하여 바람직하지 못하다. 따라서 Ni의 함량은 8.0 ~ 14.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
크롬(Cr)은 용접금속의 강도를 향상시킴과 더불어 오스테나이트 조직을 안정화 시키는 성분으로, 그 함량이 15.0 중량% 미만인 경우 충분한 강도가 얻어지지 못하여 바람직하지 못하고, 23.0 중량%를 초과하는 경우 용접금속의 저온 충격인성이 열화하여 바람직하지 못하다. 따라서 Cr의 함량은 15.0 ~ 23.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
망간(Mn)은 오스테나이트 조직을 안정화 시키며 탈산 작용 및 용접성을 향상시키는 성분으로, 그 함량이 1.0 중량% 미만인 경우 충분한 탈산 효과가 얻어지지 않아 바람직하지 못하고, 8.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속 응고 편석이 촉진됨에 따라 내고온균열성이 떨어져 바람직하지 못하다. 따라서 Mn의 함량은 1.0 ~ 8.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)은 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. Mo 함유량이 적으면 충분한 강도가 얻어지지 않아 바람직하지 못하고, 4.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화되고 응고 편석이 촉진되어 내고온균열성이 감소하여 바람직하지 못하다. 따라서 Mo의 함량은 4.0 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
실리콘(Si)은 그 함량이 0.05 중량% 미만이면 탈산력이 부족하고, 1.0 중량%를 초과하게 되면 라베스상 생성에 따라 균열감수성이 증가하여 바람직하지 못하다. 따라서 Si의 함량을 0.05 ~ 1.0 중량%로 제한함이 바람직하다.
탄소(C)는 용접 금속의 강도를 향상하는 효과가 있지만, 과잉하게 첨가하면 탄화물을 생성하여 인성이 저하되는 문제점이 있다. 질소(N)은 N은 고용 강화 원소이며 과잉 첨가하는 경우 저온 충격 인성을 열화시키며, 완전 오스테나이트 조직이 발생하여 내고온균열성과 내기공성이 열화되기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서 C+N의 총 함량은 0.01 ~ 0.5 중량%로 제한함이 바람직하다.
P(인) 및 S(황)은 고온균열에 영향을 미치는 주요 원소 중 하나로, 저융점 화합물을 발생시켜 고온균열을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 경우 P+S의 총 함량은 0.1 중량% 미만인 것이 바람직하다.
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물일 수 있다. 또한 구리(Cu)를 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 더 포함할 수 있다. 구리(Cu)는 석출 경화 원소이며 그 함량을 0.5 중량% 이하로 제한함이 바람직하다. 0.5 중량%를 초과하는 경우 경화능이 증가하여 저온 충격인성이 연화되어 바람직하지 못하다. 또한 질소(N)를 0.2 중량% 이하로 더 포함할 수 있다. 질소(N)은 N은 고용 강화 원소이며 그 함량을 0.2 중량% 이하로 제한함이 바람직하다. 0.4 중량%를 초과하는 경우 저온 충격 인성을 열화시키며, 완전 오스테나이트 조직이 발생하여 내고온균열성과 내기공성이 열화되기 때문에 바람직하지 못하다.
한편 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어 또는 이를 이용하여 얻어진 용착금속은 하기 [관계식 1]을 만족하도록 각 성분의 함량을 제어함이 바람직하다.
[관계식 1]은 {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 이다. 관계식 1에 의하여 정의되는 값이 1을 초과하도록 조성함이 바람직하다. 1 이하인 경우 강도, 극저온 인성, 즉 충격값 확보가 어려워 용접부 품질이 저하될 수 있다. 구체적으로 {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1를 만족하는 경우 상기 용접 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속은 400MPa 이상의 항복응력(Yield Point), 640MPa 이상의 인장강도(Tensile Strength), 30% 이상의 연신율(Elongation)을 가지고, -196℃ 샤르피 충격시험에서 27J 이상의 충격값을 가질 수 있다.
또한 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로, Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(Q)을 0.1 ~ 4.0 중량% 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이며, 하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어를 제공한다. [관계식 2]은 {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 이다.
구체적 조성의 함량범위는 상기 설명한 바와 같다.
W 또는 Nb를 더 포함하거나 Mo를 대체하는 경우 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어 또는 이를 이용하여 용착된 용착금속은 하기의 관계식 2를 만족함이 바람직하다. 상기 관계식 2에서 Q는 Mo, [Mo+W], [Mo+Nb], [Mo+W+Nb], W, Nb, [W+Nb] 중 어느 하나일 수 있다. 상기 관계식 2는 더욱 바람직하게는 1.5 > {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1 일 수 있다. 관계식 2에 따른 값이 1.5 이상이거나 1 이하인 경우 강도, 극저온 인성, 즉 충격값 확보가 어려워 용접부 품질이 저하될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어를 이용하여 용착된 용착금속은 W를 2.0 중량% 이하로 더 포함하거나 Mo를 대체하여 포함될 수 있다. 텅스텐(W)은 Mo과 동일하게 용접 금속의 강도를 향상시키는 효과가 있다. W 함유량이 2.0 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화될 수 있다. 따라서 W의 함량은 2.0 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
또한 본 발명의 스테인리스강 용접 와이어를 이용하여 용착된 용착금속은 Nb을 1.5 중량% 이하로 더 포함하거나 Mo를 대체하여 포함될 수 있다. 니오븀(Nb)은 Mo과 동일하게 용접 금속의 강도를 향상시킬 수 있다. Nb 함유량이 1.5 중량%를 초과하는 경우 용접 금속의 인성이 열화될 수 있다. 따라서 Nb의 함량은 1.5 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.
본 발명에 따른 스테인리스강 용접 와이어는 상기 스테인리스강 용접 와이어는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW), 서브머지드아크 용접(SAW), 가스 메탈 아크 용접(GMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 비활성가스 금속 아크 용접(MIG), 및 비활성가스 텅스텐 아크 용접(TIG) 중 어느 하나의 용접에 적용될 수 있고, 용접 방법에 제한이 있는 것이 아니다. 보다 바람직하게는 서브머지드아크 용접용일 수 있다.
본 발명에 따른 스테인리스강 용접 와이어와 관련하여 Cr, Mo, Mn의 함량관계에 따른 용접부의 물성에 대하여는 이하 서브머지드아크 용접과 관련한 실시예 및 비교예를 들어 상세히 설명하기로 하나 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
표 1에 나타난 바와 같은 성분을 가지는 스테인리스강 서브머지드아크용접 와이어를 준비하였다.
Ni Cr Mn Mo Cu Si C N P+S W Nb 식1
1 8.61 16.47 5.69 1.95 0 0.43 0.015 0 0.03 0 0 1.34
2 8.60 16.57 8.14 1.93 0 0.41 0.015 0 0.03 0 0 1.14
3 8.95 16.07 6.75 1.25 0 0.50 0.015 0 0.03 0 0 1.14
4 8.04 16.14 6.79 1.05 0 0.49 0.015 0 0.03 0 0 1.13
5 8.61 16.47 5.69 1.73 0 0.53 0.015 0 0.03 0.57 0 1.32
6 8.72 16.24 6.07 0 0 0.49 0.015 0 0.03 1.95 0 1.14
7 8.93 20.43 3.71 2.69 0 0.41 0.015 0 0.03 0 0.59 1.77
8 7.88 16.02 5.76 0 0 0.55 0.015 0 0.03 0 1.07 1.14
9 9.17 19.93 4.63 3.03 0 0.49 0.015 0 0.03 0.39 0.27 1.61
10 8.62 15.93 6.23 0 0 0.46 0.015 0 0.04 1.37 0.54 1.04
11 7.49 17.18 5.19 1.41 0 0.48 0.015 0 0.03 0 0 1.42
12 7.29 11.68 6.67 1.25 0 0.39 0.015 0 0.04 0 0 0.90
13 9.61 16.17 6.19 7.00 0 0.50 0.015 0 0.04 0 0 1.43
14 15.37 15.97 6.93 1.25 0 0.49 0.015 0 0.03 0 0 0.76
15 9.61 16.19 6.94 1.25 0 0.47 0.015 0.26 0.03 0 0 0.70
16 6.17 18.19 5.95 3.91 0 0.44 0.015 0 0.03 0 0 1.76
17 7.94 16.21 9.08 1.13 0 0.55 0.015 0 0.04 0 0 0.99
18 7.67 16.00 10.75 5.17 0 0.49 0.015 0 0.04 0 0 1.12
19 7.11 12.19 6.75 6.64 0 0.50 0.015 0 0.03 0 0 1.32
20 7.86 25.73 10.61 1.25 0 0.43 0.015 0 0.03 0 0 1.43
21 7.56 16.41 5.53 1.89 0 0.43 0.015 0 0.03 2.91 0 1.35
22 7.66 16.57 5.58 0 0 0.53 0.015 0 0.03 2.23 0 1.21
23 759 16.51 5.67 1.94 0 0.53 0.015 0 0.03 0 1.67 1.35
24 7.69 16.69 5.71 0 0 0.53 0.015 0 0.03 0 1.93 1.21
25 9.19 16.92 10.18 1.37 0 0.39 0.015 0 0.03 2.19 0 0.92
26 7.59 16.37 10.09 0 0 0.40 0.015 0 0.03 2.86 0 0.90
27 7.64 16.97 10.91 1.94 0 0.51 0.015 0 0.02 0 1.56 1.00
28 9.51 17.54 10.05 0 0 0.51 0.015 0 0.03 0 1.97 0.88
각 용접재료에 대하여 서브머지드 아크용접(SAW; Submerged Arc Welding)을 실시하였다. SAW의 경우 입열량 10.0 ~ 18.0 KJ/cm로 용접을 실시하였다. SAW용 와이어 직경은 2.4mm인 것을 사용하였다. 판 두께 20mm의 LNG 탱크 제작 모재 중 하나인 9% Ni 강판의 개선면에 개선각도가 30°가 되도록 사면을 형성하였다. 이후 모재끼리 루트 갭이 3mm가 되도록 배치하고, 개선이 좁아지는 측(루트부)에 동일한 종류의 FCAW 용접재료를 사용하여 1Pass 용접하여 용접 이음부를 제조하였다.
용접 과정에서 확인가능한 용접 이음부의 아크안정성, 슬래그 박리성과 용접 이음부의 내균열성, 비드 외관의 기공여부를 육안으로 비교하여 ◎(우수), ○(양호), △(미흡), ×(불량)의 4 단계로 평가한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
내균열성 아크안정성 비드외관 슬래그박리성 크랙비율(%)
1 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
2 ◎ ○ ○ ◎ 0
3 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
4 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
5 ○ ◎ ◎ ◎ 4
6 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
7 ○ ◎ ◎ ◎ 5
8 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
9 ○ ◎ ◎ ◎ 7
10 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
11 ◎ △ △ △ 0
12 △ ◎ ◎ ◎ 45
13 ○ ◎ ◎ ◎ 17
14 △ ◎ ◎ ◎ 40
15 ○ ◎ ◎ ◎ 13
16 ○ ◎ ◎ ◎ 9
17 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
18 ○ ○ ○ ○ 12
19 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
20 ○ ○ ○ ○ 11
21 ○ ◎ ◎ ◎ 7
22 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
23 ○ ◎ ◎ ◎ 9
24 ◎ ◎ ◎ ◎ 0
25 ○ ○ ◎ ◎ 9
26 ◎ ○ ◎ ◎ 0
27 ○ ○ ○ ◎ 10
28 ◎ ○ ○ ◎ 0
표 2를 참고하여 설명하면, 관계식 1을 불충족 하는 11번의 경우 아크 안정성과 비드 외관이 미흡하게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 관계식 2를 불충족하는12, 14, 및 16번의 경우 크랙의 비율이 높게 나타남을 확인하였다. Mn의 범위에 따라 20, 27번의 경우도 크랙이 형성됨을 확인하였다.
이후 얻어진 용접 이음부의 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율(EL), -196℃의 샤르피 충격흡수에너지를 측정한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
YS(MPa) TS(MPa) 연신율(%) CVM Impact
(J@-196℃)
1 452 707 40 39
2 426 701 39 38
3 435 651 40 45
4 427 647 40 44
5 468 729 38 37
6 451 697 38 37
7 461 723 39 38
8 439 689 39 38
9 487 731 38 36
10 437 702 39 37
11 430 657 40 42
12 370 530 43 45
13 549 767 30 24
14 364 614 41 44
15 394 637 43 43
16 504 727 37 29
17 405 626 40 43
18 461 694 31 23
19 394 627 34 26
20 483 741 29 22
21 467 729 37 34
22 449 703 39 37
23 471 738 35 33
24 457 699 40 38
25 461 709 34 27
26 428 667 36 31
27 459 710 35 29
28 419 671 36 32
표 3을 참고하여 설명하면, 관계식 1을 불충족 하는 12 내지 20의 경우 항복강도, 인장강도, 특히 충격값이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 반면 본 발명의 조성 범위에 해당하는 1 내지 10의 경우 400MPa 이상의 항복강도, 640MPa 이상의 인장강도, 38% 이상의 연신율, 및 35J 이상의 충격값을 확보할 수 있었다.
또한 Mo, W, 또는 Nb의 함량과 관련한 관계식 2를 고려하여 표 4에 나타낸 바와 같은 성분을 가지는 스테인리스강 서브머지드아크용접 와이어를 준비하였다. 이후 용접을 실시한 후 용접 이음부의 물성평가 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
Ni Cr Mn Mo Cu Si C N P+S W Nb 식2
5 8.61 16.47 5.69 1.73 0 0.53 0.015 0 0.03 0.57 0 1.37
6 8.72 16.24 6.07 0 0 0.49 0.015 0 0.03 1.95 0 1.28
7 8.93 20.43 3.71 2.69 0 0.41 0.015 0 0.03 0 0.59 1.35
8 7.88 16.02 5.76 0 0 0.55 0.015 0 0.03 0 1.07 1.21
9 9.17 19.93 4.63 3.03 0 0.49 0.015 0 0.03 0.39 0.27 1.33
10 8.62 15.93 6.23 0 0 0.46 0.015 0 0.03 1.37 0.54 1.25
21 7.56 16.41 5.53 1.89 0 0.43 0.015 0 0.03 2.91 0 1.57
22 7.66 16.57 5.58 0 0 0.53 0.015 0 0.03 2.23 0 1.37
23 7.59 16.51 5.67 1.94 0 0.53 0.015 0 0.03 0 1.67 1.47
24 7.69 16.69 5.71 0 0 0.53 0.015 0 0.03 0 1.93 1.34
25 9.19 16.92 10.18 1.37 0 0.39 0.015 0 0.03 2.19 0 0.98
26 7.59 16.37 10.09 0 0 0.40 0.015 0 0.03 2.86 0 1.06
27 7.64 16.97 10.91 1.94 0 0.51 0.015 0 0.03 0 1.56 1.08
28 9.51 17.54 10.05 0 0 0.51 0.015 0 0.03 0 1.97 0.98
29 9.95 15.57 7.63 0 0 0.51 0.015 0 0.03 0.15 0 0.98
30 7.59 15.95 6.05 5.07 0 0.43 0.015 0 0.03 2.13 0 1.64
31 7.95 16.17 5.89 5.14 0 0.51 0.015 0 0.03 0 1.67 1.61
32 9.62 15.81 5.91 5.08 0 0.51 0.015 0 0.03 2.07 1.59 1.54
33 9.73 21.07 3.95 3.02 0 0.39 0.015 0 0.03 2.19 0 1.70
34 7.57 17.21 5.94 1.97 0 0.46 0.015 0 0.03 0 1.83 1.51
35 9.97 16.07 9.84 0 0 0.53 0.015 0 0.03 2.23 1.74 0.99
식2 YS(MPa) TS(MPa) 연신율(%) CVM Impact
(J@-196℃)
5 1.37 468 729 38 37
6 1.28 451 697 38 37
7 1.35 461 723 39 43
8 1.21 439 689 39 38
9 1.33 487 731 38 45
10 1.25 437 702 39 37
21 1.57 467 729 37 34
22 1.37 449 703 39 37
23 1.47 471 738 35 33
24 1.34 457 699 40 38
25 1.19 461 709 34 27
26 1.06 428 667 36 31
27 1.08 459 710 35 29
28 0.98 419 671 36 23
29 1.51 479 747 32 24
30 1.64 484 759 30 25
31 1.61 481 755 31 26
32 1.54 493 763 29 22
33 1.70 461 721 36 42
34 1.51 457 741 34 31
35 1.69 462 732 34 26
표 4 및 표 5를 참고하여 설명하면, 추가 또는 대체된 W 또는 Nb가 Mn과의 관계에서 본 발명의 조성 범위를 벗어난 25 내지 28의 경우 충격값이 낮게 나타남을 확인하였다. 또한 관계식 2를 불충족 하는 29 내지 35의 경우 역시 충격값이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 이에 W, Nb를 추가하거나 Mo를 대체하여 부가하는 경우 관계식 2를 고려하여 성분함량을 조정함이 바람직함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 스테인리스강 서브머지드아크용접 와이어는 망간을 10 중량% 이하로 포함하면서 Mo, Cr의 함량을 조절하여 우수한 강도와 극저온 충격 인성을 갖는 용접 금속을 얻을 수 있는 특징이 있다. 9% 니켈강, 고망간강, 스테인레스 계열 강재의 용접에 모두 적용가능하고, 용접부 극저온 인성이 우수한 용접 금속을 얻을 수 있는 점에서 유리한 효과를 가진다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

  1. 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로,
    Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Mo : 5.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어:
    [관계식 1]
    {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
  2. 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 와이어 전체의 조성이 중량%로,
    Ni : 6.0 ~ 15.0 중량%, Cr : 13.0 ~ 25.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 10.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C : 0.5 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며,
    Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(Q)을 0.1 ~ 5.0 중량% 포함하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이고,
    하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어:
    [관계식 2]
    {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
  3. 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로,
    Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Mo : 4.0 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외), Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 [관계식 1]을 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어:
    [관계식 1]
    {Cr+Mo}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
  4. 스테인리스강 용접 와이어에 있어서, 상기 와이어에 의하여 얻어지는 용착 금속 성분이, 중량%로,
    Ni : 8.0 ~ 14.0 중량%, Cr : 15.0 ~ 23.0 중량%, Mn : 1.0 ~ 8.0 중량%, Si : 0.05 ~ 1.0 중량%를 포함하고, C+N : 0.01 ~ 0.2 중량%, P+S : 0.1 중량% 이하(0 중량%인 경우 제외)로 제한하며,
    Mo, W, 및 Nb로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(Q)을 0.1 ~ 4.0 중량% 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이며,
    하기 [관계식 2]를 만족하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어:
    [관계식 2]
    {Cr+Q}/{Ni+Mn+30(C+N)} > 1
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강 용접 와이어는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW), 서브머지드아크 용접(SAW), 가스 메탈 아크 용접(GMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 비활성가스 금속 아크 용접(MIG), 및 비활성가스 텅스텐 아크 용접(TIG) 중 어느 하나의 용접용 와이어인 것을 특징으로 하는 LNG 탱크 제작용 스테인리스강 용접 와이어.
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